Достижения в области оптимизации медицинских ускорителей

Достижения в области оптимизации медицинских ускорителей

Как работает лучевая терапия?

Лучевая терапия – это метод лечения рака с использованием радиации. В принципе, лучевая терапия может использовать все виды излучения, но наиболее распространенными являются рентгеновские лучи и электронные лучи. Менее известным и менее распространенным является применение высокоэнергетической протонной лучевой терапии, которая только выходит на рынок здравоохранения Великобритании.

Изображение предоставлено: Проект оптимизации медицинских ускорителей

Протонная лучевая терапия использует другой тип частиц по сравнению с другими, более известными, лучевыми терапиями, но работает аналогичным образом. Частицы используются для повреждения раковых клеток, а в случае протонной лучевой терапии повреждение наносится конкретно на ДНК раковых клеток. Не давая раковым клеткам размножаться, лечение в конечном итоге способно уничтожить рак.

Какое преимущество имеет протонная лучевая терапия по сравнению с рентгеновской и электронно-лучевой терапией?

Рентгеновское излучение проникает через все ваше тело, то есть проникает на уровень кожи, а затем проходит через все ваше тело, что, например, позволяет генерировать изображение в процессе. Хотя рентгеновские лучи способны создавать изображения хорошего качества, количество энергии, откладываемой в теле пациента, не является идеальным для лечебных целей, поскольку большая часть энергии луча откладывается в месте входа на теле пациента. Когда луч проходит через тело пациента, он откладывает все меньше и меньше энергии. Это означает, что если у вас есть глубоко укоренившаяся опухоль, такая как опухоль головного мозга, то к тому времени, когда вы достигнете опухоли, у вас будет много ненужной энергии в теле пациента.

С электронными пучками эффекты еще более ограничены, потому что они имеют только глубину проникновения в воду (материал, очень похожий на человеческое тело) около 12 сантиметров. Все, что глубже 12 сантиметров, следовательно, не может быть достигнуто электронными пучками. Кроме того, вы по-прежнему вносите большую часть энергии в точку входа.

Протоны являются чем-то вроде волшебной пули, потому что они проникают в ваше тело, не затрагивая здоровые ткани. Они также отдают энергию только там, где вы хотите, и зависят только от энергии лечебного луча. Например, если вы настроите луч на нужную энергию, вы можете сказать, чтобы лечебный луч прекратился ровно через 13,4 сантиметра в теле, после чего вы высвобождаете эту энергию, чтобы уничтожить опухоль только там, где это необходимо. Это огромная разница.

При лечении опухолей головного мозга врачи четко осознают, что мозг является очень чувствительным органом, и любое повреждение, которое вы наносите окружающим здоровым тканям, может иметь очень серьезные и серьезные побочные эффекты, которые могут повредить ваши сенсоры или повлиять на вашу способность говорить или шаг. Однако протонная лучевая терапия дает возможность лечения, которое уничтожает раковые клетки только в месте опухоли и оставляет остальную часть ткани нетронутой. Вот почему протонная лучевая терапия – это революционное лечение для некоторых типов рака.

Где в Великобритании доступна обработка протонным пучком?

Ранее в Великобритании протонная лучевая терапия была доступна только при очень низких энергиях, что означало, что единственное применение было при опухолях глаза. Этот вид лечения проводился в течение десятилетий в онкологическом центре Clatterbridge на Виррале, но с ноября 2019 года в целях лечения стали доступны пучки протонов с более высокой энергией, поскольку в больнице Christie в Манчестере открылись двери для протонной лучевой терапии. В Великобритании скоро откроется еще много центров, в том числе один в Ливерпуле.

Как настроен лечебный луч?

Для настройки лечебного луча вам нужна машина, которая снабжает вас пучком протонов с переменными уровнями энергии и интенсивности, и она должна быть в состоянии обеспечить это очень гибким способом. Возьмем еще один пример опухоли головного мозга: если у вас опухоль размером в несколько сантиметров в трех измерениях, расположенная в голове пациента, и вы очень точно знаете форму опухоли, тогда вам нужно «нарисовать» Эта опухоль с вашим протонным пучком, чтобы полностью вылечить его.

В результате вам нужна система доставки луча, которая позволяет вам сканировать не только поперечно, но и продольно, через этот объем и откладывать точно нужную энергию, чтобы уничтожить рак в каждой точке внутри объема опухоли. Ваше учреждение должно быть в состоянии ускорить пучок протонов до необходимой энергии, а затем доставить ее точно в объем внутри пациента, где это требуется. Все это делается с помощью ускорителя частиц.

Заглядывая в будущее, как медицинские ускорительные исследования могут помочь улучшить лучевую терапию для пациентов?

Одним из основных преимуществ протонной лучевой терапии является то, что она по существу не имеет непосредственных побочных эффектов. Когда вы смотрите на альтернативные формы лечения, многие из них могут быть весьма травмирующими для пациентов, особенно химиотерапия, которая может повредить весь их организм и оказывает очень существенное влияние на их благополучие. Побочные эффекты могут быть экстремальными, мешающими пациентам вести нормальную жизнь во время лечения.

Достижения в области оптимизации медицинских ускорителей

Изображение предоставлено: Проект оптимизации медицинских ускорителей

С помощью протонной лучевой терапии, когда пациент входит в центр, он получает лечение в день, и лечение обычно распространяется на 10-20 дней лечения. В тот день, когда они идут в центр, у них есть подготовка в процедурной комнате, они ложатся на скамью и затем получают облучение, которого они совсем не чувствуют. У него нет непосредственных побочных эффектов. После этого момента пациентам не нужно принимать никаких других основных лекарств, но после 20 процедур опухоль может быть уничтожена.

Это явно не волшебная палочка для всех видов рака, но для очень высоко расположенных опухолей, таких как опухоли головного мозга или рак предстательной железы, это действительно изменяющее игру лечение.

Можете ли вы дать обзор финансируемого ЕС исследовательского проекта по оптимизации медицинских ускорителей (OMA), которым вы руководили?

Для проекта OMA с самого начала нашей целью было проведение передовых исследований в области протонной и ионно-лучевой терапии. Мы решили заняться этим с клинической точки зрения, с инженерной точки зрения, когда речь идет о проектировании и изготовлении этих машин, а также со стороны физики и биологии, учитывая понимание того, как эти лучи действительно взаимодействуют с клетками человека. тело. Мы хотели лучше смоделировать эти процессы и помочь улучшить понимание.

С помощью OMA мы объединили большой опыт, который доступен по всей Европе, и построили мосты между клиническими центрами, исследовательскими учреждениями, в которых это лечение впервые использовалось, ведущими университетами, которые разрабатывают инновационные идеи, и компаниями, специализирующимися на предоставлении такого лечения. объекты. В сотрудничестве мы стремились значительно улучшить лечение.

С клинической точки зрения, одна из важных проблем, которую необходимо решить, – неопределенность в отношении отложения энергии внутри пациента. Клиницист действительно хотел бы знать, куда именно луч доставляет свою энергию. На данный момент это одна из главных проблем, которая запрещает еще более точное и целенаправленное лечение. Значительно уменьшенные пределы безопасности и, следовательно, уменьшенные побочные эффекты могут быть получены путем более точного прогнозирования и проверки этого диапазона в организме пациента.

Первым прибором прямого измерения для клинического использования для этой цели является «быстродействующая гамма-камера». Это была одна из технологий, которая была исследована и усовершенствована одним из наших стипендиатов OMA. У нас были другие стипендиаты, которые работали вместе с ними, которые затем разработали планы лечения, учитывающие улучшенную обнаруживаемость.

Мы также разработали детекторы, которые использовались в качестве детекторов быстрого диапазона, для смешанных пучков ионов углерода и ионов гелия, чтобы мы могли в режиме онлайн контролировать дальность луча и пациента. Мы также разработали новые конструкции систем доставки луча, которые позволили бы доставлять луч пациенту еще точнее.

У нас были другие стипендиаты в рамках проекта OMA, которые больше внимания уделяли диагностике, и они разработали новые типы детекторов, которые обеспечивают более точные и оперативные способы измерения луча при его перемещении к пациенту, а также диагностики, которые измеряют луч во время его проведения. находится внутри пациента. Наш пакет работ по диагностике действительно улучшил общий способ контроля луча в любое время, как в машине, так и у пациента.

Мы разработали очень значительное количество программных средств, которые теперь позволяют как физикам, которые изучают перенос пучка, так и врачам, которые занимаются моделированием распределения дозы внутри пациента, получить гораздо лучшие возможности в прогнозировании того, что произойдет. когда машина работает.

Как работают инновационные учебные сети и каковы преимущества этой схемы?

Традиционным способом обучения аспирантов является серия лекций, семинаров и, прежде всего, работа над исследовательскими проектами. По сути, инновационные учебные сети (ITN) считают, что лучший способ обучения этих аспирантов – это сотрудничество с лучшими партнерами по всей Европе и использование когортного подхода. ITN обучают одновременно около 15 высококвалифицированных научных сотрудников, и, в случае OMA, все они работают в одной и той же широкой области исследований, но с отдельными индивидуальными проектами.

Некоторые исследователи работают в промышленности, некоторые из них работают в университетах, а другие – в клинических центрах. Они встречаются на регулярной основе, чтобы не только обменяться результатами своих исследований, но и обсудить, как проходит обучение, и обсудить будущее сотрудничество. Мы хотим получить от них новые результаты исследований, но в то же время хотим обучить их стать ведущими мировыми экспертами в своей области.

Схема ITN обеспечивает уникальную и фантастическую основу для этого, поскольку она покрывает зарплату этих 15 стипендиатов. Он также предоставляет нам финансирование для организации международных школ и семинаров, где мы собираем их на очень регулярной основе, что позволяет обмениваться знаниями, где мы теперь разработали их все до уровня, который они могут получить в докторантуре.

Сеть OMA финансировалась ЕС в рамках программы Horizon 2020. Проект получил 4 млн. Евро финансирования, которое было выделено на конкурсной основе. Каждый год около 1500 предложений подаются по этой схеме, что делает ее одной из самых конкурентоспособных в Европе, и это было в течение многих лет. Небольшая часть, около 5% этих предложений, финансируется, поэтому с OMA мы были очень горды получить эту выдающуюся поддержку.

OMA был фактически первым и пока единственным предложением ITN, получившим 100% оценку по любой научной дисциплине. Чтобы представить это в перспективе, это из примерно 15 000 предложений, и наш проект был единственным, получившим 100% оценку. Для меня это было четким признаком того, что это очень важная область для науки, техники и клинической практики для улучшения здравоохранения во всей Европе.

Насколько важно инвестировать в фундаментальные научные исследования? Каковы выгоды для общества?

Это очень интересный вопрос, особенно при рассмотрении OMA. Я бы осмелился сказать, что почти все ускорительные технологии в ОМА не существовали бы, если бы не было фундаментальных исследований, проведенных десятилетиями ранее для приложений в области физики элементарных частиц и ядерной физики.

Я считаю, что должен существовать баланс между фундаментальной наукой и прикладными исследованиями, которые решают открытые вопросы, которые у нас есть сейчас. Тем не менее, значительные прорывы, эти новаторские открытия, которые приводят к технологическим изменениям, которые в конечном итоге меняют общество, произойдут только в том случае, если вы инвестируете в фундаментальные исследования, потому что именно они раздвигают границы. Фундаментальная наука – это не то, что пытается найти ответ на социальную проблему, с которой мы сталкиваемся сейчас, она пытается выйти за рамки этого. Технологии, основанные на фундаментальной науке, в конечном итоге стимулируют инновации.

Каково будущее ваших исследований и исследований и разработок в области медицинского ускорителя в целом?

Ускорители составляют основу современных исследований во всех научных дисциплинах. Если я смотрю на стратегические дорожные карты, такие как Дорожная карта европейских стратегических объектов, то около 50% будущих научных инфраструктур, так или иначе, зависят от ускорительной технологии.

Это создает ряд проблем. Мы хотим достичь еще более высоких энергий, чтобы глубже взглянуть на природу материи. Мы хотим посмотреть, сможем ли мы найти новые частицы и новые симметрии. Одна из проблем заключается в том, как мы можем это сделать и как мы можем достичь еще более высоких энергий.

В то же время мы хотим сократить расходы, сложность и площадь этих объектов. Мы смотрим на разработку технологий, которые могут сделать ускорители частиц намного меньше. Есть разные подходы, в которых мы все задействованы в Ливерпуле. Мы нацелены на снижение стоимости и размера в 100 или 1000 раз. В течение 10 лет мы надеемся, что это может быть достигнуто для некоторых приложений.

Возвращаясь к медицинским приложениям, я упомянул, что инфраструктура в Christie была открыта в прошлом году. Это было очень значительное вложение. Это огромное здание со сложным ускорителем. Если мы теперь смотрим в будущее на 10 лет, и мы могли бы сократить площадь обслуживания этого объекта в 100 раз, а также сократить общие расходы, то вопрос больше не будет: «Можем ли мы иметь один или два из этих объектов в ВЕЛИКОБРИТАНИЯ?" Тогда возникает вопрос: «Можем ли мы иметь одно или два таких учреждения в каждой больнице в Великобритании?» Тогда, конечно, польза для здоровья пациентов будет огромной.

Как проект OMA улучшил сотрудничество в области исследований рака?

В январе 2020 года у нас был финальный обзор проекта для OMA с нашим Руководящим комитетом, и это был фантастический опыт. Мы увидели, как наши 15 стипендиатов выросли из отличных студентов с небольшим опытом работы в области медицинских приложений и стали ведущими экспертами в своей области всего за три года. Теперь наших стипендиатов приглашают выступить на самых важных медицинских конференциях в мире, и мы увидели, как сеть OMA создала прочные связи, которые будут долго переживать продолжительность финансируемого проекта.

В результате мы решили продолжить почти все наши действия в течение по крайней мере еще двух лет. В Ливерпуле мы сейчас запрашиваем дополнительное финансирование для исследовательских проектов, связанных с медицинскими ускорителями, часто с другими партнерами OMA. В некоторой степени проект OMA все еще только в начале. Очевидно, что в исследованиях протонно-лучевой терапии гораздо больше предстоит сделать, и теперь, увидев преимущества как с точки зрения результатов исследований, так и с точки зрения вовлеченных исследователей, мы определенно хотим продолжить этот путь.

Где наши читатели могут узнать больше?

Читатели могут узнать больше о проекте OMA на www.oma-project.eu, где есть много информации о проекте в брошюре, которую люди могут скачать или просмотреть онлайн. Веб-сайт также содержит много справочной информации обо всех различных проектах, а также публикации, появившиеся в результате этого.

Информацию о физическом факультете Ливерпульского университета читатели могут посетить по адресу www.liv.ac.uk/physics.

.

Для моей собственной исследовательской группы информацию можно найти на сайте www.quasar-group.org, где мы подробно расскажем о наших исследованиях и нашей информационно-пропагандистской деятельности.

О профессоре Карстене Уэлше Достижения в области оптимизации медицинских ускорителей

Профессор Карстен Уэлш изучал физику и экономику в университетах Франкфурта в Германии и Калифорнийского университета в Беркли в Соединенных Штатах. Он получил докторскую степень по физике ускорителей во Франкфуртском университете и через несколько лет провел исследования в области Postdoc в Институте ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Он был удостоен стипендии в ЦЕРН в Швейцарии. Он основал общеевропейскую группу QUASAR в 2007 году.

Профессор Карстен Уэлш был членом академического персонала Университета Ливерпуля и членом Института ускорительной науки и техники им. Кокрофта с 2008 года. В 2011 году он был повышен до звания профессора физики и возглавлял Физический факультет с сентября 2016 года.

Source link